Düngerproduktion mit kaltem Plasma und Windkraft

Für die Stickstoffdünger-Produktion war das klimaschädliche Haber-Bosch-Verfahren lange Zeit alternativlos. Aber nun wurde der vergleichsweise klimafreundliche Birkeland-Eyde-Prozess zur Stickstofffixierung deutlich verbessert. Das Ergebnis könnte die Düngemittelproduktion revolutionieren.

Von Licht und Wasser allein können Pflanzen nicht leben. Für ihren Stoffwechsel benötigen sie Nährstoffe wie Stickstoff (N), Phosphor (P) oder Kalium (K), die sie über ihre Wurzeln aufnehmen. Die natürlichen Nährstoffvorräte im Boden sind jedoch begrenzt. Durch die regelmäßige Ernte werden landwirtschaftlich genutzten Böden immer wieder Nährstoffe entzogen oder sie versickern ungenutzt. Um einen hohen Ertrag und die Qualität der Kulturpflanzen langfristig zu sichern, muss der Nährstoffvorrat des Bodens durch Düngung wieder aufgefüllt werden.

Stickstoff als "Motor des Pflanzenwachstums“

Vor allem Stickstoff ist für Pflanzen ein wachstumslimitierender Nährstoff im Boden. Für eine ausreichende Stickstoffversorgung und damit eine hohe Produktionsrate in der konventionellen Landwirtschaft ist mineralischer Dünger notwendig. Dieser enthält Stickstoff in der für Pflanzen nutzbaren Form als Nitrat oder Ammoniumverbindungen. Diese Stoffe werden durch energieaufwändige chemisch-technische Verfahren hergestellt, die den elementaren Stickstoff (N₂) in unserer Atmosphäre in verschiedene Stickstoffverbindungen umwandelt (Stickstofffixierung).

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Diese industrielle Stickstofffixierung begann um 1901, zunächst mithilfe des Birkeland-Eyde-Prozesses. Dabei wird der Luft-Stickstoff durch einen plasmabildenden Lichtbogen zu Stickstoffmonoxid oxidiert und am Ende Salpetersäure gewonnen. Der Birkeland-Eyde-Prozess wurde jedoch aufgrund des hohen Energiebedarfs um 1905 durch das vergleichsweise sparsamere Haber-Bosch-Verfahren ersetzt. Dabei wird der Luftstickstoff unter hohem Druck und hohen Temperaturen in Ammoniak (NH₃) umgewandelt. Ein Nachteil des lange genutzten Haber-Bosch-Verfahrens ist jedoch seine schlechte Umweltbilanz: Bei der Produktion jedes Kilogramms Ammoniak werden mehr als ein Kilogramm CO₂ freigesetzt. Bei einer jährlichen Weltproduktion von rund 140 Millionen Tonnen Ammoniak sind damit erhebliche Emissionen dieses Treibhausgases verbunden.

Neubewertung des Birkeland-Eyde-Prozesses

Vor dem Hintergrund der aktuellen Klimaschutzziele hat eine international zusammengesetzte Forscher-Gruppe den Birkeland-Eyde-Prozess im Rahmen des EU-Projekts MAPSYN (Microwave, Ultrasonic and Plasma-assisted Syntheses) noch einmal unter die Lupe genommen und nach Optimierungsmöglichkeiten gesucht. Aufgrund der gemachten Fortschritte in der Plasmatechnologie konnte im Labor gezeigt werden, dass sich der Energiebedarf halbieren lässt. Hierbei nutzte das Team ein sogenanntes kaltes Plasma. Für dessen Erzeugung ist deutlich weniger Energie notwendig als im ursprünglichen Birkeland-Eyde-Prozess.

Dezentrale Stickstofffixierung an Windrädern

Aber noch eine weitere Optimierungsmöglichkeit kam den Wissenschaftlern in den Sinn. Könnte man nicht überschüssige Windkraft als „saubere“ Energiequelle für die Stickstofffixierung nutzen? Dazu konzipierten sie eine Pilotanlage, den sogenannten EcoTrainer. Dabei handelt es sich um einen Container, der die gesamte Infrastruktur für die Stickstoff-Umwandlung enthält – unter anderem Wasser- und Stromzuleitungen, Abluftanlage und Prozessleitstelle. Solche EcoTrainer könnten nun mit einzelnen Windkraftanlagen gekoppelt werden, wo Strom zeitweilig überschüssig ist und eine saubere und dezentrale Stickstofffixierung möglich machen.

Vorsicht! Stickstoffüberschuss führt zu Problemen

Die umweltfreundliche Herstellung von Stickstoffdünger darf jedoch ein weiterhin bestehendes Problem nicht verdrängen: Wird zu viel Dünger auf die Felder aufgebracht, kommt es schnell zu einem Nährstoffüberschuss. Über Niederschläge und Auswaschung gelangen dann die Nährstoffe wie Stickstoffverbindungen in benachbarte Ökosysteme und in das Grundwasser. Die Folge kann eine Nährstoffüberbelastung (Eutrophierung) von Wäldern, Mooren und Gewässern sein. Nachhaltiges Wirtschaften und eine Gute Landwirtschaftliche Praxis zur Vermeidung dieser Probleme sind beim Einsatz von „billig“ produzierten Stickstoffdünger dann umso wichtiger.